CN102925733B - 一种适用于引线框架用铜合金的多功能覆盖剂 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种适用于引线框架用铜合金的多功能覆盖剂，包含稻草灰和木炭，在稻草灰中还包含有元素硼和钇中的一种或两种，及锰、锆和钛中的一种或两种以上。本发明的多功能覆盖剂用于铜铁磷(C194)合金的熔炼过程，可净化熔体，细化晶粒的同时，对熔体起到防氧化的保护作用，改善铸坯质量，使得合金的铸态组织的晶粒为100~150μm，抗拉强度为380~435MPa，伸长率为7~10%，电导率为30~45IACS%，能够满足后续轧制加工的需求，提高合金产品的最终性能。

Description

一种适用于引线框架用铜合金的多功能覆盖剂
技术领域
本发明涉及一种适用于引线框架用铜合金的多功能覆盖剂，具体为一种适用于铜铁系列引线框架用铜合金，如铜铁磷合金的新型多功能覆盖剂，属于铜合金熔铸加工领域。
背景技术
引线框架材料是半导体元器件和集成电路封装的主要材料之一，在集成电路中引线框架和封装材料起着固定芯片，保护内部元件，传递电信号并向外散发元件热量的作用。因此，用于集成电路(IC)、大规模集成电路(LIC)和超大规模集成电路（VLIC)的各类引线框架材料愈来愈受到人们的广泛重视。
铜铁磷合金是最具有代表性的引线框架用铜合金，其用量占整个引线框架材料用量的65%以上，是使用最广的引线框架的铜基合金。但由于在铜铁磷合金的生产过程存在两大难题，一是熔炼过程中存在铸造偏析、组织粗大、氧化严重问题；二是后续的固溶时效工艺等关键技术不过关，严重制约着该产品的工业化，导致该产品大都依赖从国外进口，从而制约了我国电子信息产业尤其是半导体和集成电路封装业的生产和发展。
在铜铁磷合金的铸造过程中，其铸态组织存在粗大、成分偏析、氧化严重等问题，会产生夹杂、气泡、疏松，缩孔显著变深，不仅恶化了合金的机械性能和冷加工工艺性能，而且大大降低了铸锭的成材率。因此，寻找一种在熔炼过程中既能对熔体起到覆盖，又能细化合金组织作用的多功能覆盖剂是迫在眉睫。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于引线框架用铜合金的多功能覆盖剂，该新型多功能覆盖剂能够使铜铁磷合金熔体净化，使晶粒细化，合金强度、硬度及导电率得到提高，又能防止熔体氧化，从而获得性能优良的合金铸坯。
为了达到上述目的，本发明采用以下的技术方案：
一种适用于引线框架用铜合金的多功能覆盖剂，包含稻草灰和木炭，在稻草灰中还包含有合金元素硼(B)和钇(Y)中的一种或两种，及锰(Mn)、锆(Zr)和钛(Ti)中的一种或两种以上。
多功能覆盖剂（变质剂）中，各合金元素的加入量，按合金熔体重量百分比计分别为：硼(B)：0.01~0.02%，钇(Y)：0.01~0.02%；Mn：0.001~0.01%，Zr：0.001~0.01%，Ti：0.001~0.01%。
其中，按合金熔体重量百分比计，硼(B)和钇(Y)的总量优选为：0.01%≤B+Y≤0.03%；Mn、Zr和Ti的总量优选为0.001%≤Mn+Ti+Zr≤0.015%，更优选为0.001%≤Mn+Ti+Zr≤0.01%。
其中，硼(B)是以无水硼砂粉的形式使用，其他合金元素钇(Y)、锰(Mn)、锆(Zr)和钛(Ti)都需要与铜熔制成中间合金使用。即多功能覆盖剂，包含无水硼砂粉和Cu-Y中间合金中的一种或两种，及Cu-Mn、Cu-Zr和Cu-Ti中间合金中的一种或两种以上，其中B、Y、Mn、Ti、Zr的加入量满足上述要求。
多功能覆盖剂在使用前，按照重量百分比，将无水硼砂粉和/或Cu-Y，及Cu-Mn、Cu-Ti和/或Cu-Zr中间合金混合均匀。四种中间合金全部采用研磨后的合金粉末，并且控制其粒度在800μm以下。
在引线框架用铜合金如铜铁磷合金的铸造过程中，在合金熔体上先覆盖一层10cm厚的灼烧的稻草灰，然后加入预先配置好的多功能覆盖剂，充分搅拌，混合均匀，使得覆盖剂熔化后可以与稻草灰形成一层致密的保护层，再覆盖10cm厚的木炭。
下面对所添加合金元素的作用进行说明。
硼：加入硼时，在铜铁磷合金结晶过程中生成了BC4，此化合物可以作为合金的形核核心，从而细化晶粒，起到变质剂的作用。此外铜硼合金具有较强的脱氧能力，当硼含量达到一定程度时，可以使含氧量降低10ppm左右。铜硼合金脱氧的产物为B2O3和2Cu2O.B2O3，他们密度小，低熔点，在铜液中呈球状液体，很容易聚集、上浮和去除，对铜基体无影响。此外，铜硼合金添加之后，主要漂浮在熔体表面，致密性较高，具有很好的防氧化性能。因此，硼的使用量一般为0.01~0.02%较为适宜。
钇：钇主要与熔体中的氧、硫等形成高熔点的稀土化合物，在除渣的过程中容易以渣的形式出去，净化熔体和晶界。此外，残留在熔体中的化合物可以成为弥散的结晶核心，从而作为非自发形核核心，起到细化晶粒的作用。
锰、锆和钛：在所述的新型多功能覆盖剂中，还包含锰、锆和钛三种微合金化附带元素，其质量百分比含量分别为Mn：0.001~0.01%，Zr：0.001~0.01%，Ti：0.001~0.01%，总量应满足0.001~0.01%。这些元素固溶在熔体中会偏聚在正在生长的枝晶前沿，阻碍枝晶的长大，从而细化晶粒；此外，这些元素会与基体合金元素之外的杂质元素生成难溶的质点，这些质点可作为非自发形核中心，起到结晶晶核的作用，增加晶核数量，起到细化铜铁磷合金的作用，还可以净化熔体。
本发明是在混合式覆盖剂基础上，添加了含有一定量稀土及微量元素的多功能覆盖剂，该多功能覆盖剂不仅能够有效的对引线框架铜合金的熔体进行保温及覆盖保护，而且可以起到变质的作用，有效的提高了合金熔体的形核率，净化合金熔体，细化晶粒，从而改善铸锭的加工能力及性能，提高最终产品的综合性能。
本发明的新型多功能覆盖剂具有配方科学合理，多功能，净化熔体，细化晶粒，铸坯质量优良等优点。使用新型多功能覆盖剂后的铜铁磷合金的铸锭表面无夹杂、气孔等缺陷，质量优良。并且合金的铸态组织的晶粒度为100~150μm，抗拉强度为380~435MPa，伸长率为7~10%，电导率为30~45IACS%，能够满足后续轧制加工的需求，提高合金产品的最终性能。
具体实施方式
以下以本发明12个实施实例(如附表1所示)，进一步说明本发明的优异性能。
实施例1-12：按照表1所示的多功能覆盖剂的成分组成，配置多功能覆盖剂，其中各合金元素的加入量wt%为占合金熔体的重量百分比。将无水硼砂粉和/或Cu-Y，及Cu-Mn、Cu-Ti和/或Cu-Zr中间合金混合均匀。中间合金Cu-Y、Cu-Mn、Cu-Ti、Cu-Zr全部采用研磨后的合金粉末，并且控制其粒度在800μm以下。
在引线框架用铜合金如铜铁磷合金的铸造过程中，采用非真空中频感应电炉进行大铸锭半连铸铸造试验。合金加料的顺序为：首先加入标准的阴极铜，待铜熔化后，再加入Cu-Fe和Cu-Zn中间合金，并且覆盖一层10cm厚的灼烧的稻草灰，加入预先配置好的Cu-Y，Cu-Mn，Cu-Ti、Cu-Zr中间合金和/或无水硼砂粉的多功能覆盖剂，充分搅拌10min，使得覆盖剂熔化后可以与稻草灰形成一层致密的保护层，再覆盖10cm厚的木炭，保温10min，加入Cu-P中间合金，经除气、除杂后，静置浇注，随后进行铣面、轧制等工序得最终产品。
通过观察铸锭表面质量，可得到：采用本发明的新型多功能覆盖剂的铸锭，表面无夹渣、断晶、气孔等缺陷，质量优良；未采用覆盖剂的铸锭，表面质量较差，存在夹渣、断晶等缺陷，需要在铣面过程中进行打磨修补。
通过观察铸锭的宏观组织，可得到：采用本发明的新型多功能覆盖剂的铸锭，其组织细小，无裂纹，气泡等缺陷，组织致密；未采用覆盖剂的铸锭，其组织粗大，存在微小裂纹，有少量缩孔，缺陷较多，容易在后续的退火、冷轧过程中出现气泡、起皮等缺陷。
通过对铸锭进行一系列物理性能测试，如抗拉强度、伸长率、电导率等，得到如表2所示的实施例1-12的合金铸态性能，可看到：采用本发明的多功能覆盖剂的铸锭，其晶粒明显细化，基本上都在130μm左右，差不多是未细化的晶粒的1/3。抗拉强度主要集中在400MPa左右，比未细化的增大12%，伸长率上升24%，电导率提高24%，从而说明本发明的多功能覆盖剂具有很强细化作用，可获得优良的铸态组织和性能。
表1实施例1-12的多功能覆盖剂成分配方(wt%)
注“/”标记为未添加合金量
表2实施例1-12的合金铸态性能表
本发明为一种适用于铜铁磷合金的新型多功能覆盖剂，本发明用于铜铁磷(C194)合金的熔炼过程，可净化熔体，细化晶粒的同时，对熔体起到防氧化的保护作用，改善铸坯质量，使得合金的铸态组织的晶粒为100~150μm，抗拉强度为380~435MPa，伸长率为7~10%，电导率为30~45IACS%，能够满足后续轧制加工的需求，提高合金产品的最终性能。

Claims (4)

1.一种适用于引线框架用铜合金的多功能覆盖剂，包含稻草灰和木炭，其特征在于：在稻草灰中还包含硼和钇中的一种或两种，及锰、锆和钛中的一种或两种以上，按合金熔体重量百分比计，各元素的加入量分别为：硼：0.01～0.02％，钇：0.01～0.02％，锰：0.001～0.01％，锆：0.001～0.01％，钛：0.001～0.01％，其中，硼为无水硼砂粉，钇、锰、锆和钛分别以各自与铜的中间合金的形式加入，并且钇、锰、锆和钛与铜的中间合金Cu-Y、Cu-Mn、Cu-Zr和Cu-Ti采用研磨后的合金粉末，粒度分别在800μm以下。
2.根据权利要求1所述的适用于引线框架用铜合金的多功能覆盖剂，其特征在于：硼和钇的总量为：0.01％≤硼+钇≤0.03％。
3.根据权利要求1所述的适用于引线框架用铜合金的多功能覆盖剂，其特征在于：锰、锆和钛的总量为：0.001％≤锰+锆+钛≤0.015％。
4.根据权利要求3所述的适用于引线框架用铜合金的多功能覆盖剂，其特征在于：锰、锆和钛的总量为：0.001％≤锰+锆+钛≤0.01％。
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